缺氧水體

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缺氧水體（Anoxic waters）是指海水、淡水或地下水中的溶氧（英语：dissolved oxygen）已經不足，處在嚴重缺氧（英语：Hypoxia (environmental)）的情形下。美國地質調查局定義缺氧地下水是溶氣量小於每升0.5毫克[1]。此情形常出現在水循環受限的地區。

大部份的情形下，由於物理性的阻隔[2]以及明顯的密度分層（例如高鹽份的水會停留在內陸高鹽湖泊的底部），氧氣很難溶到水深的地方。若水生生物或細菌耗氧的速度比氧氣溶進水中的速度快，也會有缺氧的情形。

缺氧水體是自然現象[3]，常出現在地質學的歷史中。例如有些學者推測造成大量海洋生物滅絕的二叠纪－三叠纪灭绝事件，可能就是因為廣泛的水體缺氧造成。現今有些湖泊中的水是缺氧水體，例如波罗的海[4]。現來也有些指標指出富营养化已增加了水體缺氧的程度，地區包括波罗的海、墨西哥灣[5]和華盛頓州的胡德運河（英语：Hood Canal）[6]。

原因和影響[编辑]

水體缺氧的原因有許多種，例如死水、水的密度分層（英语：density stratification）[7]、有機物質的輸入，以及強烈的温跃层。例子包括有峡湾（入口處較淺的灣底使水無法流通）。在水污染控制中，會用anoxic表示單純的缺少氧氣，而anaerobic一詞會用來表示沒有電子受體（例如硝酸盐、硫酸鹽或氧氣）。

若海盆地中的氧氣耗盡時，細菌會先用海水中次好的電子受體硝酸盐，會出現反硝化反应，而硝酸盐會快速消耗。細菌接下來會還原硫酸鹽，因此會產生副產物硫化氫（H2S)，這是對大多數生物都有毒的物質，其特徵是有臭雞蛋的臭味，顏色是深色的[8]。

SO4−2 + H+1 → H2S +H2O + 化學能

若缺氧的海水重新得到氧氣，硫化物會再氧化形成硫酸鹽：

HS− + 2 O2 → HSO4−

在泥濘的海底常會有缺氧的情形，因為其中有大量的有機物質，而且含氧水流流到沈積物中的很少。距離地表幾公分的間隙水（沉積物之間的水）就是缺氧的了。

缺氧也會受到生物需氧量（BOD）影響，這是指生物在分解有機物質過程中需要的氧氣量。BOD會受生物種類、水的酸鹼度、溫度以及水中的有機物質影響。BOD會直接和水中的溶氧量有關，尤其是一些較小的水體（例如河和溪流）。若BOD增加，水中的氧氣量就會減少。這會影響水中的大型生物。BOD會因為天然原因及人工原因而產生，例如生物屍體、肥料、廢水以及城市的逕流[9]。

波羅的海中，因為缺氧條件下的低分解速度，留下了相當多仍保留軟組織的化石（Lagerstätte（英语：Lagerstätte））[10]。

人工造成的水體缺氧[编辑]

富营养化是指營養物（磷酸鹽或是硝酸鹽）的流入，多半是農業逕流或是污水排放的副產物。富营养化會造成大量但短暫的藻類繁殖。在藻華結束後，死去的藻類會沈積到水底，並且開始分解，並且消耗水中的氧氣，直到氧氣用盡為止。像墨西哥灣就會有季節性的死區，不過會受到颶風或熱帶低壓等氣象模式的干擾。污水排放（特別是有許多磷酸鹽或是硝酸鹽的污水），對生態多樣性的破壞特別的大。有些對缺氧條件敏感的物種會被其他比較耐缺氧的物種取代，因此就減少了生態多樣性[8]。

富营养化及全球变暖的漸進式環境變化會大幅的改變有氧—缺氧區域。根據模式研究，這種變化會突然出現，會在以藍菌門為主的有氧狀態，以及硫酸鹽還原菌和光養着色菌目的缺氧狀態之間變換[11]。

每天和每季的循環[编辑]

水體的溫度會直接影響其溶氧量。依照亨利定律，當水溫昇高時，其溶氧量會下降。因此在小型水體會有每天的有氧－缺氧循環，大型水體會有季節性的有氧－缺氧循環。水體在一天中溫度最高的時候最容易有缺氧的問題，若以季節性來看，在夏季也容易出現缺氧。若水體有工業冷卻用的廢熱水排放，其溫度較水體的溫度要高，此情形會更加嚴重。

每天的循環也會受到光合作用的影響。夜間沒有陽光，植物無法進行光合作用產生氧氣，因此也會有缺氧的情形，在夜間會出現，在日出後一段時間是最嚴重的時期[12]。

生物適應[编辑]

生物體針對缺氧的沉積物，已發展出許多的適應機制。有些生物可以從較淺的水層中泵取氧氣，釋放到沉積物中，其他的適應方式包括可以在低氧環境下生存的特殊血紅蛋白，慢速活動以降低代謝率，以及與厭氧細菌的共生關係。多數的情形下，若該區域平常不是在缺氧狀態下，有毒H2S的出現都會降低生物的活動力，並且減少生態多樣性[8]。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Volatile Organic Compounds in the Nation's Ground Water and Drinking-Water Supply Wells: Supporting Information: Glossary. US Geological Survey. [3 December 2013]. （原始内容存档于2017-05-18）. 
  2. ^ Bjork, Mats; Short, Fred; McLeod, Elizabeth; Beer, Sven. Managing Sea-grasses for Resilience to Climate Change. Volume 3 of IUCN Resilience Science Group Working Papers. Gland, Switzerland: 國際自然保護聯盟 (IUCN). 2008: 24. ISBN 978-2-8317-1089-1. 
  3. ^ Richards, 1965; Sarmiento 1988-B
  4. ^ Jerbo, 1972;Hallberg, 1974
  5. ^ Streamflow and Nutrient Delivery to the Gulf of Mexico for October 2009 to May 2010 (Preliminary). [2011-02-09]. （原始内容存档于2012-11-29）. 
  6. ^ Archived copy (PDF). [2013-03-05]. （原始内容 (PDF)存档于2011-09-27）. 
  7. ^ Gerlach, 1994
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Castro, Peter; Huber, Michael E. Marine Biology 5th ed.需要免费注册. McGraw Hill. 2005. ISBN 978-0-07-250934-2. 
  9. ^ 5.2 Dissolved Oxygen and Biochemical Oxygen Demand. Water: Monitoring & Assessment. US Environmental Protection Agency. [3 December 2013]. （原始内容存档于2014-02-20）. 
  10. ^ Nudds, John; Selden, Paul. Fossil–Lagerstätten. Geology Today. 2008-07-01, 24 (4): 153–158. ISSN 1365-2451. doi:10.1111/j.1365-2451.2008.00679.x 可免费查阅 （英语）. 
  11. ^ Bush; et al. Oxic-anoxic regime shifts mediated by feedbacks between biogeochemical processes and microbial community dynamics. Nature Communications. 2017, 8 (1): 789. Bibcode:2017NatCo...8..789B. PMC 5630580 可免费查阅. PMID 28986518. doi:10.1038/s41467-017-00912-x. 
  12. ^ Dissolved Oxygen Depletion in Lake Erie. Great Lakes Monitoring. US Environmental Protection Agency. [3 December 2013]. （原始内容存档于2015-08-26）. 
  • Gerlach, S. Oxygen conditions improve when the salinity in the Baltic Sea decreases. Marine Pollution Bulletin. 1994, 28 (7): 413–416. doi:10.1016/0025-326X(94)90126-0. 
  • Hallberg, R.O. (1974) "Paleoredox conditions in the Eastern Gotland Basin during the recent centuries". Merentutkimuslait. Julk./Havsforskningsinstitutets Skrift, 238: 3-16.
  • Jerbo, A. Är Östersjöbottnens syreunderskott en modern företeelse?. Vatten. 1972, 28: 404–408. 
  • Fenchel, Tom & Finlay, Bland J. (1995) Ecology and Evolution in Anoxic Worlds (Oxford Series in Ecology and Evolution) Oxford University Press. ISBN 0-19-854838-9
  • Richards, F.A. (1965) "Anoxic basins and fjords", in Riley, J.P., and Skirrow, G. (eds) Chemical Oceanography, London, Academic Press, 611-643.
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  • Sarmiento, J.A. et al. (1988-B) "Ocean Carbon-Cycle Dynamics and Atmospheric pCO2". Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 325, No. 1583, Tracers in the Ocean (May 25, 1988), pp. 3–21.
  • Van Der Wielen, P. W. J. J.; Bolhuis, H.; Borin, S.; Daffonchio, D.; Corselli, C.; Giuliano, L.; d'Auria, G.; De Lange, G. J.; Huebner, A.; Varnavas, S. P.; Thomson, J.; Tamburini, C.; Marty, D.; McGenity, T. J.; Timmis, K. N.; Biodeep Scientific, P. The Enigma of Prokaryotic Life in Deep Hypersaline Anoxic Basins. Science. 2005, 307 (5706): 121–123. Bibcode:2005Sci...307..121V. PMID 15637281. S2CID 206507712. doi:10.1126/science.1103569. .
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